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自然法則の微分方程式 微分方程式の解 微分方程式の解、指数関数、三角関数、正弦と余弦

微分方程式演習〈理工系の数学入門コース/演習 新装版〉 (和達 三樹(著)、矢嶋 徹(著)、岩波書店)の第1章(自然法則の微分方程式)、1-3(微分方程式の解)、問題2の解答を求めてみる。

1

d N dt = N ( 1 + C 1 e - µ N t ) 2 C 1 µ N e - µ N t = µ N C 1 µ e - µ N t
N + N C 1 e - µ N t = N N C 1 e - µ N t = N - N
d N dt = µ N ( N - N )

2

α > Ω g

の場合、

d θ dt = C 1 ( - α + β ) e ( - α + β ) t + C 2 ( - α - β ) e ( - α - β ) t + Ω e 2 2 α sin Ω g t
d 2 θ dt 2 = C 1 ( - α + β ) 2 e ( - α + β ) t + C 2 ( - α - β ) 2 e ( - α - β ) t + Ω e 2 Ω g 2 α cos Ω g t
d 2 θ dt 2 + 2 α d θ dt + Ω g 2 θ
= C 1 ( ( - α + β ) 2 + 2 α ( - α + β ) + Ω g 2 ) e ( - α + β ) t + C 2 ( ( - α - β ) 2 + 2 α ( - α - β ) + Ω g 2 ) e ( - α - β ) t + Ω e 2 Ω g 2 α cos Ω g t + Ω e 2 sin Ω g t - Ω e 2 Ω g 2 α cos Ω g t
= C 1 ( - α 2 + β 2 + Ω g 2 ) e ( - α + β ) t + C 2 ( - α 2 + β 2 + Ω g 2 ) e ( - α - β ) t + Ω e 2 sin Ω g t
= ( - α 2 + β 2 + Ω g 2 ) ( C 1 e ( - α + β ) t + C 2 e ( - α - β ) t ) + Ω e 2 sin Ω g t
- α 2 + β 2 + Ω g 2 = - α 2 + | α 2 - Ω g 2 | + Ω g 2 = - α 2 + α 2 - Ω g 2 + Ω g 2 = 0

よって、

d 2 θ d t 2 + 2 α d θ dt + Ω g 2 θ = Ω e 2 sin Ω g t
α = Ω g

の場合、

d θ dt = - C 1 α e - α t + C 2 ( e - α t - t α e - α t ) + Ω e 2 2 α sin α t = - C 1 α e - α t + C 2 ( 1 - t α ) e - α t + Ω e 2 2 α sin α t
d 2 θ dt 2 = C 1 α 2 e - α t + C 2 ( - α e - α t - α e - α t + t α 2 e - α t ) + Ω e 2 2 cos α t = C 1 α 2 e - α t + C 2 ( - 2 α + t α 2 ) e - α t + Ω e 2 2 cos α t
d 2 θ dt 2 + 2 α d θ dt + Ω g 2 θ
= d 2 θ dt 2 + 2 α d θ dt + α 2 ( C 1 e - α t + C 2 t e - α t - Ω e 2 2 α 2 cos α t )
= C 1 e - α t ( α 2 - 2 α 2 + α 2 ) + C 2 e - α t ( - 2 α + t α 2 + 2 α - 2 t α 2 + α 2 t ) + Ω e 2 2 cos α t + Ω e 2 sin α t - Ω e 2 2 cos α t
= Ω e 2 sin Ω g t
α < Ω g

の場合、

d θ dt = C 1 ( - α e - α t cos β t - e - α t β sin β t ) + C 2 ( - α e - α t sin β t + e - α t β cos β t ) + Ω e 2 2 α sin Ω g t = C 1 e - α t ( - α cos β t - β sin β t ) + C 2 e - α t ( - α sin β t + β cos β t ) + Ω e 2 2 α sin Ω g t
d 2 θ dt 2 = C 1 ( - α ( - α e - α t cos β t - e - α t β sin β t ) - β ( - α e - α t sin β t + e - α t β cos β t ) ) + C 2 ( - α ( - α e - α t sin β t + e - α t β cos β t ) + β ( - α e - α t cos β t - e - α t β sin β t ) ) + Ω e 2 Ω g 2 α cos Ω g t = C 1 e - α t ( α 2 cos β t + α β sin β t + α β sin β t - β 2 cos β t ) + C 2 e - α t ( α 2 sin β t - α β cos β t - α β cos β t - β 2 sin β t ) + Ω e 2 Ω g 2 α cos Ω g t
d 2 θ dt 2 + 2 α d θ dt + Ω g 2 θ
= C 1 e - α t ( - α 2 cos β t - β 2 cos β t + Ω g 2 cos β t ) + C 2 e - α t ( - α 2 sin β t - β 2 sin β t + Ω g 2 sin β t ) + Ω e 2 Ω g 2 α cos Ω g t + Ω e 2 sin Ω g t - Ω e 2 Ω g 2 α cos Ω g t
= C 1 e - α t ( - α 2 cos β τ - ( Ω g 2 - α 2 ) cos β t + Ω g 2 cos β t ) + C 2 e - α t ( - α 2 sin β t - ( Ω 2 - α 2 ) sin β t + Ω g 2 sin β t ) + Ω e 2 sin Ω g t
= Ω e 2 sin Ω g t

3

d v dt + Γ v ( t )
= - C 1 Γ e - Γ t - Γ e - Γ t t 0 t f ( t ' ) e Γ t ' dt ' + e - Γ t f ( t ) e Γ t + Γ v ( t )
= - C 1 Γ e - Γ t - Γ e - Γ t t 0 t f ( t ' ) e Γ t dt + f ( t ) + Γ v ( t )
= - Γ v ( t ) + f ( t ) + Γ v ( t )
= f ( t )

4

d 2 d t 2 x ( t )
= d dt ( - C 1 Ω sin Ω t + C 2 Ω cos Ω t )
= - C 1 Ω 2 cos Ω t - C 2 Ω 2 sin Ω t
d 2 dt 2 t 0 t f ( t ' ) sin Ω ( t ' - t ) dt '
= - Ω d dt t 0 t f ( t ' ) cos Ω ( t ' - t ) dt '
= - Ω ( f ( t ) + Ω t 0 t f ( t ' ) sin Ω ( t ' - t ) dt ' )
d 2 dt 2 x ( t ) + Ω 2 x ( t )
= - Ω 2 ( C 1 cos Ω t + C 2 sin Ω t ) + f ( t ) + Ω t 0 t f ( t ' ) sin Ω ( t ' - t ) dt ' + Ω 2 ( C 1 cos Ω t + C 2 sin Ω t ) - Ω t 0 t f ( t ' ) sin Ω ( t ' - t ) dt 1
= f ( t )

コード(Wolfram Language, Jupyter)

n[t_] := n0/(1+c1 Exp[-u n0 t])
n'[t] == u n[t] (n0 - n[t])
Output
Simplify[%]
Output
b = Sqrt[Abs[a^2-og^2]]
Output
theta[t_] := If[
    a > og, c1 Exp[-a + b]t + c2 Exp[-a -b] t - oe^2/(2a og) Cos[og t],
    If[a == og,
       c1 Exp[-og t] + c2 t Exp[-og t] - oe^2 / (2 og^2) Cos[og t],
       c1 Exp[-a t] Cos[b t] + c2 Exp[-a t] Sin[b t] - oe^2 / (2 a og) Cos[og t]
    ]
]
theta''[t] + 2 a theta'[t] + og^2 theta[t] == oe^2 Sin[og t]
Output
Simplify[%]
Output
v[t_] := c1 Exp[-g t] + Exp[-g t] Integrate[f[t1] Exp[g t1], {t1, t0, t}]
v'[t] + g v[t] == f[t]
Output
Simplify[%]
Output
x[t_] := c1 Cos[o t] + c2 Sin[o t] - 1 / o Integrate[f[s] Sin[o (s - t)], {s, t0, t}]
x'[t]
Output
x''[t]
Output
% + o^2 x[t]
Output
Simplify[%]
Output